Tumours are known to be genetically heterogeneous, but it is proving difficult to dissect this heterogeneity at the single-cell level. A combination of whole-genome amplification and sequencing of single nuclei separated by fluorescence activated cell sorting now reveals the population structure of breast tumours from two patients. In both, tumour growth is by punctuated clonal expansions with few persistent intermediates, in contrast to the many gradual models of tumour progression. Single-cell sequencing of this type — once it becomes cheaper — is likely to have clinical implications for cancer prognosis and staging. Although it is known that tumours are genetically heterogeneous it has so far been difficult to dissect this heterogeneity at a single cell level. This paper combines whole-genome amplification and next-generation sequencing of flow-sorted nuclei from breast tumours to investigate their population structure and evolution. In contrast to gradual models of tumour progression, the results indicate that tumours grow by punctuated clonal expansions with few persistent intermediates. Genomic analysis provides insights into the role of copy number variation in disease, but most methods are not designed to resolve mixed populations of cells. In tumours, where genetic heterogeneity is common1,2,3, very important information may be lost that would be useful for reconstructing evolutionary history. Here we show that with flow-sorted nuclei, whole genome amplification and next generation sequencing we can accurately quantify genomic copy number within an individual nucleus. We apply single-nucleus sequencing to investigate tumour population structure and evolution in two human breast cancer cases. Analysis of 100 single cells from a polygenomic tumour revealed three distinct clonal subpopulations that probably represent sequential clonal expansions. Additional analysis of 100 single cells from a monogenomic primary tumour and its liver metastasis indicated that a single clonal expansion formed the primary tumour and seeded the metastasis. In both primary tumours, we also identified an unexpectedly abundant subpopulation of genetically diverse ‘pseudodiploid’ cells that do not travel to the metastatic site. In contrast to gradual models of tumour progression, our data indicate that tumours grow by punctuated clonal expansions with few persistent intermediates.

Whole exome sequencing has proven to be a powerful tool for understanding the genetic architecture of human disease. Here we apply it to more than 2,500 simplex families, each having a child with an autistic spectrum disorder. By comparing affected to unaffected siblings, we show that 13% of de novo missense mutations and 43% of de novo likely gene-disrupting (LGD) mutations contribute to 12% and 9% of diagnoses, respectively. Including copy number variants, coding de novo mutations contribute to about 30% of all simplex and 45% of female diagnoses. Almost all LGD mutations occur opposite wild-type alleles. LGD targets in affected females significantly overlap the targets in males of lower intelligence quotient (IQ), but neither overlaps significantly with targets in males of higher IQ. We estimate that LGD mutation in about 400 genes can contribute to the joint class of affected females and males of lower IQ, with an overlapping and similar number of genes vulnerable to contributory missense mutation. LGD targets in the joint class overlap with published targets for intellectual disability and schizophrenia, and are enriched for chromatin modifiers, FMRP-associated genes and embryonically expressed genes. Most of the significance for the latter comes from affected females. Family-based exome sequencing in a large autism study has identified 27 high-confidence gene targets and accurately estimates the contribution of both de novo gene-disrupting and missense mutations to the incidence of simplex autism, with target genes in affected females overlapping those in males of lower but not higher IQ; targets also overlap known targets for intellectual disability and schizophrenia, and are enriched for chromatin modifiers, FMRP-associated genes and embryonically expressed genes. Autism spectrum disorder (ASD) is a broad group of brain development disorders, including autism, childhood disintegrative disorder and Asperger's syndrome, characterized by impaired social interaction and communication, repetitive behaviour and restricted interests. Two groups reporting in this issue of Nature have used large-scale whole-exome sequencing to examine the contribution of inherited and germline de novo mutations to ASD risk. Silvia De Rubeis et al. analysed DNA samples from 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls and identify more than 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disease. De novo loss-of-function mutations were detected in more than 5% of autistic subjects. Many of the associated gene products appear to function in synaptic, transcriptional, and chromatin remodelling pathways. Ivan Iossifov et al. sequenced exomes from more than 2,500 families, each with one child with ASD. They identify 27 high-confidence gene targets and estimate that 13% of de novo missense mutations and 43% of de novo 'likely gene-disrupting' (LGD) mutations contribute to 12% and 9% of diagnoses, respectively.

Exome sequencing of 343 families, each with a single child on the autism spectrum and at least one unaffected sibling, reveal de novo small indels and point substitutions, which come mostly from the paternal line in an age-dependent manner. We do not see significantly greater numbers of de novo missense mutations in affected versus unaffected children, but gene-disrupting mutations (nonsense, splice site, and frame shifts) are twice as frequent, 59 to 28. Based on this differential and the number of recurrent and total targets of gene disruption found in our and similar studies, we estimate between 350 and 400 autism susceptibility genes. Many of the disrupted genes in these studies are associated with the fragile X protein, FMRP, reinforcing links between autism and synaptic plasticity. We find FMRP-associated genes are under greater purifying selection than the remainder of genes and suggest they are especially dosage-sensitive targets of cognitive disorders.

Chronux is an open-source software package developed for the analysis of neural data. The current version of Chronux includes software for signal processing of neural time-series data including several specialized mini-packages for spike-sorting, local regression, audio segmentation, and other data-analysis tasks typically encountered by a neuroscientist. Chronux is freely available along with user tutorials, sample data, and extensive documentation from http://chronux.org/.

Abstract Copy number profiling and whole-exome sequencing has allowed us to make remarkable progress in our understanding of the genetics of autism over the past ten years, but there are major aspects of the genetics that are unresolved. Through whole-genome sequencing, additional types of genetic variants can be observed. These variants are abundant and to know which are functional is challenging. We have analyzed whole-genome sequencing data from 510 of the Simons Simplex Collections quad families and focused our attention on intronic variants. Within the introns of 546 high-quality autism target genes, we identified 63 de novo indels in the affected and only 37 in the unaffected siblings. The difference of 26 events is significantly larger than expected (p-val = 0.01) and using reasonable extrapolation shows that de novo intronic indels can contribute to at least 10% of simplex autism. The significance increases if we restrict to the half of the autism targets that are intolerant to damaging variants in the normal human population, which half we expect to be even more enriched for autism genes. For these 273 targets we observe 43 and 20 events in affected and unaffected siblings, respectively (p-value of 0.005). There was no significant signal in the number of de novo intronic indels in any of the control sets of genes analyzed. We see no signal from de novo substitutions in the introns of target genes.

Abstract Triple negative breast cancer (TNBC) is an aggressive form of breast cancer with poor patient outcomes, and an unmet clinical need for targeted therapies and better model systems. Here, we developed and comprehensively characterized a diverse biobank of normal and breast cancer patient-derived organoids (PDOs) with a focus on TNBCs. PDOs recapitulated patient tumor intrinsic properties and a subset of PDOs can be propagated for long-term culture (LT-TNBCs). Single cell profiling of PDOs identified cell types and gene candidates affiliated with different aspects of cancer progression. The LT-TNBC organoids exhibit signatures of aggressive MYC-driven basal-like breast cancers and are largely comprised of luminal progenitor (LP)-like cells. The TNBC LP-like cells are distinct from normal LPs and exhibit hyperactivation of NOTCH and MYC signaling. Overall, our study validates TNBC PDOs as robust models for understanding breast cancer biology and progression, paving the way for personalized medicine and tailored treatment options. Statement of Significance A comprehensive analysis of TNBC patient-derived organoids is presented by genomic, transcriptomic, and in-vivo analyses, providing insights into cellular heterogeneity and mechanisms of tumorigenesis at the single cell level.

Abstract Non-invasive brain stimulation is valuable for studying neural circuits and treating various neurological disorders in humans. However, the current technologies usually have low spatial and temporal precision and poor brain penetration, which greatly limit their application. A new class of nanoparticles known as magneto-electric nanoparticles (MENs) can be navigated to a targeted brain region with a magnetic field and is highly efficient in converting an externally applied magnetic wave into local electric fields for neuronal activity modulation. Here we developed a new method to fabricate MENs of CoFe 2 O 4 -BaTiO 3 core-shell structure that had excellent magneto-electrical coupling properties. Using calcium imaging of organotypic and acute cortical slices from GCaMP6s transgenic mice, we demonstrated their efficacy in reliably evoking neuronal responses with a short latency period. For in vivo non-invasive delivery of MENs to brain, fluorescently labeled MENs were intravenously injected and guided to pass through the blood brain barrier to a targeted brain region by applying a magnetic field gradient. A magnetic field (∼450 Oe at 10 Hz) applied to mouse brain was able to reliably evoke cortical activities, as revealed by in vivo two-photon and mesoscopic imaging of calcium signals at both cellular and global network levels. The effect was further confirmed by the increased number of c-Fos expressing cells after stimulation. Neither brain delivery of MENs nor the subsequent magnetic stimulation caused any significant increases in the numbers of GFAP and IBA1 positive astrocytes and microglia in the brain. This study demonstrates the feasibility of using MENs as a novel efficient and non-invasive technique of contactless deep brain stimulation that may have great potential for translation.

Abstract The Origin Recognition Complex (ORC) cooperates with CDC6, MCM2-7, and CDT1 to form pre- RC complexes at origins of DNA replication. Here we report tiling-sgRNA CRISPR screens that show that each subunit of ORC and CDC6 are essential in human cells. Using an auxin-inducible degradation system, stable cell lines were created that ablate ORC2 rapidly, revealing multiple cell division cycle phenotypes. The primary defect in the absence of ORC2 was cells encountering difficulty in initiating DNA replication or progressing through the cell division cycle due to reduced MCM2-7 loading onto chromatin in G1 phase. The nuclei of ORC2 deficient cells were also large, with decompacted heterochromatin. Some ORC2 deficient cells that completed DNA replication entered into, but never exited mitosis. ORC1 knockout cells also demonstrated extremely slow cell proliferation and abnormal cell and nuclear morphology. Thus, ORC proteins and CDC6 are indispensable for normal cellular proliferation and contribute to nuclear organization.

Motivation: Standard genome sequence alignment tools primarily designed to find one alignment per read have difficulty detecting inversion, translocation and large insertion and deletion (indel) events. Moreover, dedicated split read alignment methods that depend only upon the reference genome may misidentify or find too many potential split read alignments because of reference genome anomalies. Methods: We introduce MUMdex, a Maximal Unique Match (MUM)-based genomic analysis software package consisting of a sequence aligner to the reference genome, a storage-indexing format and analysis software. Discordant reference alignments of MUMs are especially suitable for identifying inversion, translocation and large indel differences in unique regions. Extracted population databases are used as filters for flaws in the reference genome. We describe the concepts underlying MUM-based analysis, the software implementation and its usage. Results: We demonstrate via simulation that the MUMdex aligner and alignment format are able to correctly detect and record genomic events. We characterize alignment performance and output file sizes for human whole genome data and compare to Bowtie 2 and the BAM format. Preliminary results demonstrate the practicality of the analysis approach by detecting de novo mutation candidates in human whole genome DNA sequence data from 510 families. We provide a population database of events from these families for use by others.